【正文】 （2）通過試驗(yàn)的大量數(shù)據(jù)制作出相應(yīng)的模型，為以后鋁基復(fù)合材料的滑動(dòng)摩擦磨損提供比較有效的模型數(shù)據(jù)支持。（4）不管在干磨還是濕磨蝕下，A00鋁、%Mn合金、%Mn復(fù)合材料在室溫下的摩擦磨損性能與載荷、時(shí)間等試驗(yàn)因數(shù)有著重要聯(lián)系。在兩種環(huán)境下，%%Mn復(fù)合材料摩擦系數(shù)在較低的載荷下沒有什么區(qū)別，但是隨著載荷的增加，材料濕磨蝕的磨損率明顯的都大于干磨情況下的；復(fù)合材料在濕磨蝕下的摩擦系數(shù)也都大于大于干磨情況下，%Mn復(fù)合材料隨著環(huán)境的變化，磨損率和摩擦系數(shù)變化的最少，還是表現(xiàn)良好的耐磨性能。這主要是因?yàn)椋涸诓牧显跐衲ノg時(shí)，摩擦表面間存在磨蝕液，水的存在降低了因摩擦產(chǎn)生的熱量，使材料不會(huì)因?yàn)闇囟壬叨箒啽砻孳浕瑢?dǎo)致剝層磨損；但同時(shí)磨蝕液中存在顆粒加入到摩擦表面中，為摩擦提供了磨粒，導(dǎo)致主要的磨損機(jī)制主要是顆粒磨損。在較低載荷下，帶顆粒磨蝕液的摩擦系數(shù)隨著載荷時(shí)間先下降后慢慢的穩(wěn)定，而干磨系數(shù)是先下降隨后具有上升的趨勢；在較高載荷下，帶顆粒磨蝕液的摩擦系數(shù)先下降而后變的很不穩(wěn)定。%，同時(shí)在各載荷下，表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性能。Ca其原因?yàn)椋海?）硬質(zhì)的鋁錳間化合物起和Al2O3顆粒到了強(qiáng)化作用，提高了復(fù)合材料的硬度（如表33），減緩了材料磨損面由摩擦熱所產(chǎn)生的軟化，減輕了磨損面亞表面的塑性變形。當(dāng)載荷增加到140N時(shí)，圖4（a）中A00試樣出現(xiàn)了更大面積的破壞區(qū)，粘著磨損的更加嚴(yán)重；圖4（b、c）中可以看出2試樣（復(fù)合材料）磨損面隨著載荷增加破損也加劇，出現(xiàn)了較大面積的破壞面，但是深度都比較淺，相對的還是保持比較的光整，可是1（合金）磨損面出現(xiàn)了表層材料脫落留下的大面積較深凹坑。這主要是由于：隨著載荷的增加，材料摩擦面間犁削和粘著作用加劇，導(dǎo)致磨損面上的機(jī)械混合層破裂、脫落，失去對基體的保護(hù)作用，接觸面的真實(shí)接觸面積增加，變形程度加劇，摩擦系數(shù)也隨之加大，并且在摩擦過程中極其不穩(wěn)定。 載荷、摩擦?xí)r間對材料干滑動(dòng)摩擦摩擦系數(shù)影響及研究圖43 AlMn合金（1）及其復(fù)合材料（2）在50N、80N、110N、140N下干磨摩擦系數(shù)與載荷的變化曲線圖43為在載荷分別為50N、80N、110N、140N下材料摩擦系數(shù)隨載荷的變化情況。通過掃描電鏡觀察材料磨損面，并進(jìn)行EDS分析。圖310 1（%Mn合金）的斷口形貌 圖311 2（%Mn基復(fù)合材料）的斷口形貌 通過預(yù)定的制備工藝制備出來的材料，再對材料成分、組織及部分的機(jī)械性能方面進(jìn)行了測試分析，得到了一下主要結(jié)論：（1）采用攪拌鑄造法制備的Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳復(fù)合材料，它的組織成分與相應(yīng)的鋁錳合金相差不多，但是從材料的掃描電鏡圖中，可以知道增強(qiáng)相Al2O3顆粒在一定程度上影響了基體中析出的MnAl6和Mn4Al11化合物的形狀和分布，使材料組織變的致密，Al2O3顆粒和鋁錳間化合物也分布比較均勻。表33 試樣橫向沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)試樣編號(hào)A0012沖擊韌性(HBS)外質(zhì)顆粒的加入會(huì)制約基體的變形，降低材料的塑性，所以一般的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料通常有變脆的傾向，但從表33中可以看出，2的沖擊韌性分別為544k J/m2和506kJ/m2。圖表？從圖（34）中可以看出在制備的1試樣中存在MnAl6和MnAl11兩種鋁錳間化合物，這主要是因?yàn)?試樣在凝固的過程中，錳在a固溶體中的溶解度隨著溫度的下降而降低，從而溶解于Al面心立方中的錳會(huì)隨著溫度的下降從晶界析出，形成少量硬脆的MnAl6和MnAl11化合物，由于原先加入錳量就很少，形成的鋁錳間化合物也很少，并且呈現(xiàn)細(xì)小的枝晶，并形成一定的網(wǎng)格狀，分布于合金組織之中（如圖33）。Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料是一種新型的復(fù)合材料，只有通過材料的組織成分觀察研究，才能知道Al2O3增強(qiáng)顆粒的加入對基體合金的組織影響，為Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料各性能的變化有相應(yīng)的理論依據(jù)。（4）滑動(dòng)磨損測試：將三種試樣在切割機(jī)上加工成8mmⅹ8mmⅹ30mm試驗(yàn)件，在M22000型滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滑動(dòng)磨損試驗(yàn)。 制備工藝流程圖純鋁材料：將所需A00鋁錠放入井式電阻爐熔化加熱至860℃，扒渣降溫后澆鑄成形。（6）摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)型號(hào)：M2—2000型，最大負(fù)載：2000牛頓，上試樣軸轉(zhuǎn)速：，摩擦力矩測量范圍：0—15牛頓還有作除氣劑精煉劑的MnCl2和后續(xù)工作所需要的用作清洗液的酒精，去油污的丙酮，拋光劑Al2O3溶液，腐蝕劑4%HF溶液。有研究發(fā)現(xiàn)[5556]：在一定載荷、摩擦速度、摩擦溫度等條件內(nèi)，脫落的第二相硬質(zhì)顆粒被氧化，并在磨面上可以能起到“滾珠”的作用，可以形成轉(zhuǎn)移層，從而對材料的磨損起到一定的減磨作用。在經(jīng)歷顆粒磨損后鋁基復(fù)合材料摩擦表面主要是以顯微切削和犁溝的形態(tài)存在。如在水環(huán)境下，主要是在摩擦表面吸附著水起到一定的潤滑作用以及水能冷卻摩擦表面的溫度，減少基體的軟化，塑性變形也變少，同時(shí)水也有利于磨粒從摩擦表面間流出，減輕了材料的摩擦磨損[48]。這里主要介紹了在本實(shí)驗(yàn)中主要考慮的影響因素：正載荷、摩擦?xí)r間和干濕摩擦環(huán)境。本文研究的主要內(nèi)容有：（1） 采用攪拌鑄造工藝制備出含錳量為1%左右的鋁錳合金和Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料，通過相關(guān)設(shè)備儀器準(zhǔn)確地測試出材料的最終組織成分、結(jié)構(gòu)及硬度、沖擊韌性等機(jī)械性能，并進(jìn)行兩材料間的對比研究。 幾種金屬基復(fù)合材料制備方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)粉末冶金法基體上不存在界面反應(yīng)，質(zhì)量穩(wěn)定，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)（Vf）可較高可選用細(xì)小顆粒增強(qiáng)體，增強(qiáng)體分布均勻，可實(shí)現(xiàn)近似無余量成型；工藝程序多，制備周期長，成本高，降低成本的可能性小攪拌鑄造法工藝簡單，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本低，可規(guī)?；a(chǎn)；Vf有限（一般不超過20%），顆粒一般不可能小于10um，有界面反應(yīng)的可能性，增強(qiáng)體分布難以達(dá)到均勻化，有氣孔，只能制成鑄錠，因此需要二次加工；噴射沉積法成型速度快，工藝周期短工藝設(shè)備復(fù)雜、原材料損失大、成本高，需要后續(xù)的加工原位復(fù)合法成本反應(yīng)較低，增強(qiáng)體分布均勻，基體上無界面反應(yīng)，可以使用傳統(tǒng)的金屬熔融鑄造設(shè)備，工藝周期較短；工藝過程要求嚴(yán)格，較難把握，增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?shù)不易控制；據(jù)研究[39]，材料的磨損、腐蝕和斷裂三種主要形式導(dǎo)致了材料失效，其中摩擦磨損主要是由于相互接觸的材料在接觸面上發(fā)生阻礙相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致表面材料的逐漸消失或轉(zhuǎn)移，所以摩擦磨損就成為在相對運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置內(nèi)材料失效的主要原因，各種形式的磨損能引起約70％~80％的設(shè)備損壞及30％~50％的能源消耗。研究表明[32]：攪拌過程中的溫度、加入增強(qiáng)顆粒大小和數(shù)量、增強(qiáng)相與基體金屬液濕潤性問題都對復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)有很大的影響，使材料在制備的過程中很容易吸氣而形成氣孔等現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響該方法制備的復(fù)合材料的性能。從上世紀(jì)70年代，美國DWA復(fù)合材料專業(yè)公司就開始研究利用粉末冶金工藝生產(chǎn)SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，現(xiàn)已達(dá)到商品化。美國亞利桑那大學(xué)研制了一種超輕空間望遠(yuǎn)鏡，采用SiC／A1復(fù)合材料制造行架，支架、和副鏡等，使重量大大減輕。利用SiCP/Al或SiC/Al復(fù)合材料成功地制造了上述的零件，其結(jié)果表明新型的鋁基復(fù)合材料在耐磨性能、降噪性能、散熱性能上均比原用材料有很大改善[1718]。這樣可以各相之間相互協(xié)同、取長補(bǔ)短，由高強(qiáng)度、高模量的強(qiáng)化相來提高鋁合金的硬度，耐磨和耐高溫等性能，同時(shí)保存原有鋁合金的性能，綜合性地提高材料的物理性能和力學(xué)性能。至今，主要的晶粒細(xì)化方法有：外來形核質(zhì)點(diǎn)法(如添加AlTiB、AlTi、AlRE、AlB等)；內(nèi)生形核法(如快速凝固法、電磁作用、超聲波振動(dòng)、徑轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)法等)[1213]。Si：Si是有害雜質(zhì)，Si與Mn形成復(fù)雜三元相三元相T(Al12Mn3Si2),該相也能溶解Fe，形成（Al、Fe、Mn、Si）四元相。雖然AlMn合金的強(qiáng)度是隨著Mn含量的增加而提高，%~%的Mn，因?yàn)檫@時(shí)不但AlMn合金具有高強(qiáng)度，而且有良好的塑性和工藝性能；%時(shí)，采用常用鑄造方法制備的AlMn合金會(huì)形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物,其力學(xué)性能和塑性急劇下降，嚴(yán)重得影響合金的機(jī)械性能和加工工藝性能[8]；當(dāng)Mn含量過低則會(huì)明顯降低制品的力學(xué)性能。為了提高鋁的力學(xué)性能，在純鋁中加入某些合金元素制成鋁合金，鋁合金仍保持純鋁的密度小和抗腐蝕好的特點(diǎn)，而力學(xué)性能比純鋁高的多[1]。我們這里主要顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在較高抗腐蝕性和耐磨性上的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用在輸送管道和剎車輪、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。同時(shí)隨著國家的大興節(jié)水灌溉工程，需要大量的配套設(shè)備，包括噴灌機(jī)具、管材、灌水器、過濾器和防滲塑膜等，但是由普通鑄鐵、鋁合金、黃銅等傳統(tǒng)材料制備出來的配套設(shè)備都存在沒有很好的穩(wěn)定摩擦性能，使用壽命都比較短等缺點(diǎn)，尤其是在我國條件惡劣的干旱地區(qū)使用時(shí)段時(shí)間內(nèi)就要更換，大大地增加成本，對于發(fā)展一系列低成本、高性能、壽命長的新型材料是國家迫切的要求。鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金[2]。有這一現(xiàn)象的主要原因是：錳元素能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，形成MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對再結(jié)晶晶粒長大起阻止作用，同時(shí)也起到細(xì)化再結(jié)晶晶粒。若合金中Fe和Si同時(shí)存在,則先形成骨骼狀α相(Al12Mn3Si2)或針狀β相(Al9Fe2Si2),破壞了鐵的有利影響。一般加入到鋁錳合金中細(xì)化劑主要是AlTi合金、AlTiB合金等?？v觀鋁基復(fù)合材料的發(fā)展，從增強(qiáng)相看，最先研究的是硬質(zhì)顆粒（SiC顆粒、WC顆粒、A1203顆粒等），再次為晶須和纖維（C纖維、SiC晶須等）；從增強(qiáng)相加入的方式看，最先研究的是強(qiáng)制加入，到后來的原位生成，制造技術(shù)難度也越來越大，材料綜合性能越優(yōu)良[16]。由于鋁基復(fù)合材料像鋁合金一樣具有良好的耐腐蝕性，我國正利用鋁基復(fù)合材料于摩托車剎車箍上,可以減少因腐蝕而減低剎車效率，同時(shí)取得了減輕重量的效果。此外，現(xiàn)己用復(fù)合材料制造出了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學(xué)儀器托架等精密儀器和光學(xué)儀器[25]。在我國由馬宗義、畢敬[28]等人初步的研究了粉末法制備工藝對SiCp/Al復(fù)合材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)了采用封閉非真空熱壓制備材料可以提高其強(qiáng)度。 (3)噴射沉積法：噴射沉積技術(shù)(VCM)[33]是一種嶄新較為成熟的鋁基復(fù)合材料制備工藝，最初是由20世紀(jì)70年代初Swansea大學(xué)Singer教授開發(fā)，由 Osprey Metals公司投入生產(chǎn)應(yīng)用[34]。隨著20世紀(jì)60年代科技的發(fā)展，鋁基復(fù)合材料開始被研究，發(fā)現(xiàn)了它具有高耐熱性、耐磨損性和抗老化性等優(yōu)異特點(diǎn)，隨著復(fù)合方法的優(yōu)化和原理的研究，鋁基復(fù)合材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域方面所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能越來越受到人們的重視，人們在試圖利用對各種鋁合金材料與各種增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合化以改善其摩擦磨損性能的過程中取得可喜的進(jìn)展[40]。（2） 通過摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別對“A00”鋁試樣、%%Mn基復(fù)合材料試樣進(jìn)行在正載荷、摩擦環(huán)境等變化因素下進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，并通過得到大量磨損率和摩擦系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的變化曲線、三種試樣數(shù)據(jù)的對比圖和試樣摩擦磨損形貌電鏡照片，研究載荷、%Mn基復(fù)合材料的滑動(dòng)摩擦性能的影響和摩擦磨損機(jī)制的影響。載荷因素對復(fù)合材料的摩擦磨損性能有很大的影響，隨著載荷增加，材料間由摩擦而生熱不能及時(shí)導(dǎo)出，使材料表面溫度升高，軟化基體，摩擦率增加，嚴(yán)重影響材料的摩擦磨損性能[45]。賈均紅[49]等人通過對NiSiC石墨系復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦系數(shù)比干摩擦降低了一半左右,磨損率僅為干摩擦下的1/15,磨損主要表現(xiàn)為機(jī)械微切削。材料磨粒磨損在很大程度上取決于磨粒硬度Hm和鋁基復(fù)合材料硬度Ha之比，再根據(jù)韌塑性鋁基復(fù)合材料的磨粒磨損體積V與磨粒硬度的關(guān)系大致可分為三個(gè)區(qū)域[53]：低磨損區(qū)Hm()Ha。 (4)剝層磨損由N、P、Suh在1973首次提出的剝層磨損理論[57]，該磨損機(jī)制主要是通過鋁基復(fù)合材料磨損面亞表層裂紋而產(chǎn)生的。以下是幾種主要材料的具體成分：（1）A00鋁成分 試驗(yàn)用A00鋁的成分牌號(hào)化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 雜質(zhì)總和 ≥ ≤（2）錳粉成分取出一些錳粉試樣，通過OXFORD2000型能譜分析儀得到圖1和表2。米。鋁錳合金：將所需的A00鋁錠放入井式電阻爐熔化加熱至860℃，扒渣后加入金屬錳粉粒，用石墨棒連續(xù)攪拌10分鐘，%的除氣劑六氯乙烷、精煉劑MnCl2粉末，攪拌、降溫、澆注成形。摩擦副材料用45鋼，尺寸為￠40mmⅹ10mm，經(jīng)油淬熱處理，表面硬度為48～52HRC。對于這類材料其各項(xiàng)組織成分及機(jī)械性能的研究提供一些數(shù)據(jù)，并為對其實(shí)際應(yīng)用有著重大的理論指導(dǎo)意義。圖33 1試樣（%Mn合金）的掃描電鏡照片圖34 1試樣（%Mn合金）X射線衍射圖譜 從圖（36）中可以看出在制備的2試樣中存在MnAl6和MnAl11兩種鋁錳間化合物，還檢測出δAl2O3顆粒的存在。其中1試樣（%Mn合金）的沖擊韌性最高；2試樣（%Mn基復(fù)合材料）的沖擊韌性低于1試樣，說明Al2O3顆粒的加入一定程度上影響了材料的韌性，有變脆的傾向，但是下降的不是很大，還表現(xiàn)良好的塑性；相對于A00試樣（純鋁），合金和復(fù)合材料的沖擊韌性表現(xiàn)的明顯地高，錳元素和Al2O3顆粒都同時(shí)影響著材料塑性的變化。（2）由于高硬度且細(xì)小的Al2O3顆粒增強(qiáng)相的加入，能夠?yàn)榛w材料承受很大的外部應(yīng)力，相對于合金，復(fù)合材料的硬度提高了很多，%。圖41 M22000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖 (41)式中：α—上、下試樣的接觸角，角